Hallo zusammen, ich habe eine Denkblockade bei einer Schaltung, die eigentlich schonmal funktioniert hat, dies aber jetzt nicht mehr tut. Es ist eine Sensorplatine mit 3 Photodioden für unterschiedliche Wellenlängenbereiche. Der PAR-Sensor (sichtbares Licht) wird mit einem TL071 verstärkt; das klappt solange, bis ich die beiden UV-Sensoren einlöte, die erst mit OPA627 und in der zweiten Stufe mit TL071 verstärkt werden: dann stürzt die Ausgangsspannung auf -3V. Der UVA-Kanal funktioniert vermutlich, er zeigt mir 0V, aber ich habe keine UV-Quelle zur Hand zur Verifikation (morgen schon). Ich habe drei identische Platinen zusammengebaut, UVB spinnt immer, auf einer zusatzlich UVA, auf einer PAR, und auf der dritten beide. Jetzt habe ich den UVB-Sensor abgelötet, der Eingang vom OPA627er hat 0V, aber am Ausgang kommen trotzdem 2.6V raus. Warum? Ich hab schon den Kondensator C10 raus und die Widerstände, aber das ändert nichts. Den OPA hab ich schon ersetzt - nix, immer noch was da. Ich komme grad nicht weiter bei der Fehlersuche, wäre schön, wenn mir einer einen Tip geben könnte. Außerdem noch eine Verständnisfrage: wenn ich eine funktionierende Photodiode im Kurzschlussbetrieb (Kathode am invertierenden Eingang, Anode auf GND) habe, dann kann doch die Ausgangsspannung eigentlich nicht negativ werden; warum aber doch? Sollte jemand einen besseren Überblick über das Projekt wollen: http://arduino.cc/forum/index.php/topic,68925.msg665059.html#msg665059. Da sieht man auch die Prototypplatine, die problemlos und von Anfang an funktioniert hat. Ach ja, die Bauteilauswahl mag seltsam erscheinen, aber ich musste nehmen, was ich in Patagonien auftreiben konnte. Ich bin dankbar für jede Hilfe, mir meiner elektronischen Unzulänglichkeiten bewusst und bitte diese mit Nachsicht zu behandeln. Schöne Grüße Sebastian
Die Gegenkopplungscaps sind wahrscheinlich ungeeignet. Die brauchst du, um die "phase lag" in der Gegenkopplung durch eine geeignete "phase lead" zu kompensieren. Je nach Detektorkapazität gehen deshalb nur ganz bestimmte Caps in der Gegenkopplung. Sind die zu klein oder zu groß, fängt die Schaltung an zu schwingen. Und allzu große Detektorkapazitäten lassen sich eventuell sogar garnicht kompensieren. Also, probiere der Reihe nach verschiedene Kapazitäten durch, mit ganz klein anfangend. Ich würde mal mit einer Simulation eine Phasenganganalyse machen. Kennst du die einzelnen Detektorkapazitäten?
Danke für die schnelle Antwort. Der PAR hat 580 pF, der UVA 60-80 pF (je nach Datenblatt) und der UVB 195 pF. Wenn es daran liegt, erklärt es dann auch, warum es im Prototypen geklappt hat? Das Layout dort war ganz anders und vielleicht haben die Leitungsbahnen bei so kleinen Kapazitäten einen Unterschied gemacht?!
>Wenn es daran liegt, erklärt es dann auch, warum es im Prototypen >geklappt hat? Das Layout dort war ganz anders und vielleicht haben die >Leitungsbahnen bei so kleinen Kapazitäten einen Unterschied gemacht?! Ja. Du solltest der Platine eine durchgehende Massefläche spendieren und auf jeden Fall mal Entkoppelcaps für die Betriebsspannungen bei JEDEM OPamp vorsehen! Vielleicht ist alleine das schon der Grund. In die Ausgangsleitungen der OPamps würde ich noch 47...100R Widerstände einfügen.
Also der Par-Verstärker ist ziemlich instabil, wie die Simu zeigt. Im MHz-Bereich wird die "phase margin" kräftig aufgezehrt...
OK, dann werde ich mal 100n für die Entkopplung anfügen und mich an günstige Werte für die Gegenkopplung herantasten (womit würde ich sowas simulieren oder grob berechnen?) Wofür die Rs in der Ausgangsleitung? Da hab ich doch schon 100ks drin, sind die zu groß? Vielen Dank, jetzt weiß ich ja, wo ich nachbessern kann.
>Wofür die Rs in der Ausgangsleitung? Da hab ich doch schon 100ks drin, >sind die zu groß? Ich meine die Ausgänge, die über das Kabel die Platine verlassen. Da solltest du 100R Widerstände einfügen. Die entkoppeln die Ausgänge von der kapazitiven Last des Kabels und stabilisieren die OPamps, in dem sie verhindern, daß zusätzlich die "phase margin" angeknabbert wird. Die 100k Widerstände, die du meinst, sind ein wenig sinnfrei. Hier solltest du sowieso Spannungsteiler einsetzen, die vermeiden, daß der "common mode input voltage range" der TL071 überschritten wird. Oder gleich IORR-OPamps einsetzen (z.B. TLV2371, o.ä.). Für optimale Stabilität wäre beim Par-Verstärker 100p in der Gegenkopplung besser, wie die Simu zeigt. Oder du machst die Gegenkopplung deutlich hochohmiger. Allzu niederohmige Gegenkopplungen können die Stabilität von TIAs drastisch verringern!
C9 beim UVA-Verstärker kann man lassen. C10 beim UVB-Verstärker würde ich auf 100...220p verkleinern. IC1 und IC4 würde ich deutlich niederohmiger beschalten. So große Widerstände machen die ganze Schaltung nur unnötig empfindlich für Streukapazitäten und kapazitives Ein- und Überkoppeln.
Kai Klaas schrieb: > wie die Simu zeigt Kurze frage am Rande... Wie heißt die Software mit der Du die Simulation gemacht hast? Vielen Dank
Das sieht nach Texas Instruments' TINA aus. LG, John
Irgendwie bin ich froh dass es dich "Kai Klaas" wieder gibt. Gruss klaus de Lisson
Wir haben hier ein Verständnisproblem (denn wir sind alle Biologen): warum ist die Frequenz ein Thema? Wir verstärken doch eigentlich ein (relativ) konstantes Signal (nämlich Licht und UV). OK, hier im Labor haben wir sicher eine 50Hz Schwingung von der Beleuchtung (die hab ich mit meinem Prototypen auch aufgelöst), aber inwieweit schwingt denn in meinem Aufbau was? Und wenn was schwingt, dann ist es durch die Wahl der Komponenten bedingt und nicht von außen induziert, oder? Oder sprechen wir davon, dass wir diverse Signale einfangen (Radio, WLAN usw.)? Vielen Dank und schönen Gruß
>Irgendwie bin ich froh dass es dich "Kai Klaas" wieder gibt. Danke für die freundlichen Worte. >Wir haben hier ein Verständnisproblem (denn wir sind alle Biologen): >warum ist die Frequenz ein Thema? Wir verstärken doch eigentlich ein >(relativ) konstantes Signal (nämlich Licht und UV). Wenn du das mit einem Verstärker machst, der bis 3MHz hinauf verstärken kann, dann muß die Schaltung auch bis 3MHz stabil arbeiten. >...aber inwieweit schwingt denn in meinem Aufbau was? Einer der OPamp schwingt, weil er nicht richtig beschaltet wurde. >Und wenn was schwingt, dann ist es durch die Wahl der >Komponenten bedingt und nicht von außen induziert, oder? Das ist durch die Wahl der Komponenten bedingt, kann aber durchaus von außen induziert werden. Letztlich genügt schon das Eigenrauschen oder der Einschaltvorgang um eine instabile Schaltung zum Schwingen zu bringen. Auch der Anschluß eines Kabels oder das Berühren mit einem Meßinstrument, kann spontan eine Schwingung auslösen, die munter weitergeht, selbst wenn der Auslöser wieder weg ist. >Oder sprechen wir davon, dass wir diverse Signale einfangen (Radio, WLAN >usw.)? Das kann natürlich zusätzlich passieren, auch wenn die Schaltung stabil aufgebaut wurde. Dann hast du kapaztives Einkoppeln von Netzbrumm, etc. Ganz fies ist Handystrahlung, weil die bei ganz hohen Frequenzen arbeitet, bei der man oft nur schlecht filtern kann. Dann werden HF-Signale an Bauteileunlinearitäten demoduliert und in dein Nutzsignalband heruntergefaltet. Für störungsfreien Betrieb muß die Schaltung erst einmal stabil arbeiten. Dazu macht man in der Regel eine Phasenganganalyse. Dann muß man die Schaltung abschirmen und filtern. Dabei hilft es, wenn die Bauelemente möglichst niederohmig gewählt sind, weil dann das kapazitive Ein- und Überkoppeln um so schwieriger geht.
Treibst Du mit deinen OP Ausgängen evtl. auch noch weitere kapazitive Lasten? Z.b. noch einen 10nF am AD-Eingang? dann neigen die OPs auch gerne mal zum schwingen...
Und noch was: wenn ich die Rückkopplungswiderstände und den Sensor rauslöte, hab ich am invertierenden Eingang 0V, am Ausgang aber 2.3V. Meine Spannungsversorgung ist nicht exakt symmetrisch (+5.2, -4.7V), ist das der Grund?
>Und noch was: wenn ich die Rückkopplungswiderstände und den Sensor >rauslöte, hab ich am invertierenden Eingang 0V, am Ausgang aber 2.3V. Wenn du das machst, hast du überhaupt keine funktionierende Schaltung mehr. Dann kannst du auch gleich mit einem großen Hammer auf die Platine hauen... Hast du die Schaltung so modifiziert, wie ich es vorgeschlagen habe? Kann es sein, daß du die Versträker völlig übersteuerst? Hast du berücksichtigt, daß die Ausgänge im Übersteuerungsfall nicht bis +5V bzw. -5V gehen, weil deine OPamps keine Rail-to-Rail-Typen sind?
Kai Klaas schrieb: > Wenn du das machst, hast du überhaupt keine funktionierende Schaltung > > mehr. Dann kannst du auch gleich mit einem großen Hammer auf die Platine > > hauen... Daran habe ich auch schon mehrfach gedacht... Aber im Ernst: wenn ich GND am Eingang hab und also kein Signal, sollte ich dann nicht 0V am Ausgang haben (oder halt nur die Offsetspannung)? Ich habe die caps getauscht, die Freiflächen mit GND verbunden und auch einige Stützcaps reingefummelt, aber es ist nicht besser geworden. Die TLs sind jetzt über 2M2 und 220K geregelt. Außerdem hab ich grade den UVB-Sensor auf einem Breadboard mit einem OPA627 (DIL) verdrahtet und mit einem 1M und 100pF rückgekoppelt (wegen Deiner Bemerkung mit übersteuern). Es geht prinzipiell schon, unter einer UV-B Lampe hab ich bis 0.1V gemessen. Ich werde wohl am Wochenende mal ein ganz neues Layout machen und eine neue Platine ätzen. Wie muss ich die Stützcaps dimensionieren damit da nix zu schwingen anfängt? 100n?
>Daran habe ich auch schon mehrfach gedacht... Aber im Ernst: wenn ich >GND am Eingang hab und also kein Signal, sollte ich dann nicht 0V am >Ausgang haben (oder halt nur die Offsetspannung)? Bei einem invertierenden Verstärker hast du immer praktisch 0V am "-" Eingang, wenn du auch 0V am "+" Eingang hast. Das ist die virtuelle Masse. Und trotzdem kann der Ausgang jede Spannung annehmen. >Die TLs sind jetzt über 2M2 und 220K geregelt. Nimm mal 22k und 2,2k. Und mach an die Ausgänge von IC1, IC2 und IC4 100R in Serie. Nimm mal die OPA627 heraus und mache überall TL071 rein. Du könntest auch eventuell den MCP602 verwenden. Der braucht nur +5V und geht am Ausgang bis zu den Rails. >Wie muss ich die Stützcaps dimensionieren damit da nix zu schwingen >anfängt? 100n? Wenn die Betriebsspannung, die zum Board geht, sauber ist, reichen 100n von jedem Supply-Pin zur Masse. Falls nicht, kannst du auch RC-Glieder nehmen: 10...100R + 100n...10µ. Aber 100n dürften eigentlich völlig reichen, um die Schwingneigung zu beseitigen. Erhöhe mal ganz langsam die Intensität der Strahlung und schau dir mit einem Multimeter an jedem Ausgang an, wie die Spannung hochläuft. Wenn du ein Oszi hast, dann nimm das. Vermeide aber direktes Berühren der Ausgänge. Schalte einen 100R Widerstand in Serie, den du zu Testzwecken direkt an den jeweiligen Ausgang lötest. Wenn du keine durchgehende Massefläche machen kannst, dann probiere wenigstens eine sternförmige Masseführung. Dazu machst du an jedem Verstärker einen lokalen Massepunkt. Damit verbindest du direkt die Anode der Fotodiode (oder den Masseanschluß des Gegenkopplungswiderstandes) und die Entkoppelcaps für diesen OPamp.
Hallo, erst mal vielen Dank für die Tips. Nichts ist schlimmer, als nach einem funktionierenden Prototypen eine Schaltung nicht mehr ans Laufen zu kriegen, scheinbar nur weil die Bauteile räumlich anders angeordnet sind. Schön, dass man jemanden fragen kann. Ich habe die Änderungen umgesetzt, das mit der Sternpunkterdung ist nicht so ganz konsequent realisiert (alles siehe Anhang). Bei einem genaueren Vergleich mit besagtem ersten Gerät fallen als Unterschiede auf, dass die Rückkopplungen zwischen Sensor und Chip lagen und alles etwas weiter auseinander war, aber da war die Platine auch noch ein kompletter Kreis. Außerdem war alles handgelötet mit SnAgCu-Draht, jetzt habe ich zwar handgelötet, aber Paste benutzt. Die PAR-Diode läuft einwandfrei und geht nach Annäherung mit der Schreibtischlampe auf 4.8V. Da später noch ein Teflonfenster drüber liegt, ist das schon ok. UV-A rührt sich nicht, UV-B ist beständig am Poller. Ich denke, ich habe womöglich eine elementare Grundregel der Platinengestaltung verletzt, kann das sein? Etwa, dass man nicht OpAmps überlappend auf der Ober- und Unterseite der Platine platziert? Dass man keine Durchführungen unter OpAmps macht? Irgend was, was man in einer formalen Ausbildung früh lernt, aber dem Quereinsteiger nocht so spontan einfällt? Soll ich echt eher zuerst eine GND-Leitung zur Platinenmitte legen und dann sternförmig GNDs verteilen? Zu allem Überfluss habe ich grade auf dem Steckbrett die OPA627-TL071-Ketten aufgebaut und die UV-Dioden mit den entsprechenden Verstärkungen getestet - läuft! Mit zwei TL071ern schwingt der Ausgang im Dunkeln wie Harry von -3 bis 4 V (ziemlich rechteckig, 50Hz), kann ich aber mit 100n Stützcaps wegdrücken. Ich würde den OPA627 sehr gerne behalten, weil wir über sehr schwache Signale reden (einige nA) und er einen sehr niedrigen Offset hat. Wo also ist das Problem? Schöne Grüße und danke Sebastian
Mach mal R18, R16 und R17 aus der Gegenkopplung raus. Das muß aussehen wie R12, also hinter der Gegenkopplung. So wie du das gemacht hast, verschlimmert es die Situation! Am Eingang von IC4 und IC1 mußt du eventuell noch einen Spannungsteiler hinmachen, weil die TL071 am Eingang nicht Rail-to-Rail können. Das kannst du später noch klären. Das Layout schaue ich mir später an.
Der OPA627 ist mit 16MHz und 55V/µsec sehr schnell. Das geht mit einem solchen Layout garnicht! Alles kreuz und quer, verwurschtelt, übereinander, ohne richtige Masse. Ein einziges Grausen... Ich würde Doppel-OPamps wie den TLC277 o.ä. nehmen, um das Layout einigermaßen überschaubar zu machen. Und auf jeden Fall würde ich der Platine eine weitgehend durchgehende Massefläche spendieren, sonst machen die Entkoppelcaps in den Betriebsspannungszuleitungen überhaupt keinen Sinn. Die brauchen kürzeste Verbindungen zum Chip und zu einer HF-tauglichen Masse. Mit deinen "Masse-Spaghetti-Fäden" geht das garnicht. Kannst du nicht wenigstens eine Massefläche auf deiner Platine generieren??
Oh sorry, das hab ich vergessen: es gibt eine Massefläche auf jeder Seite, aber die füge ich immer erst am Schluss ein (mein workflow ist mill-outlines.ulp und dann in Corel Designer noch fertig machen). Den TLC schau ich mir mal an.
Hmmmm, sieht ja gut aus, der TLC. Ich habe den OPA627 aus Tradition genommen, weil schon ein paar Dutzend Radiometer mit dem gebaut wurden, aber gut, ich werde sofort ordern und umstricken.
Das ist aber keine EAGLE Massefläche per Polygon erzeugt oder?
Nö, ist keine. Ich kann mich dunkel erinnern, dass ich damit Schwierigkeiten am Anfang hatte und seitdem mache ich es am Schluss.
So. Immer noch ich. Eine Verständnisfrage: Wenn ich in einem Transimpedanzwandler den nicht invertierenden Eingang auf GND habe, dann müsste ich doch am invertierenden Eingang 0V messen, weil der OpAmp genau das doch will, oder? Wenn er das dann nicht hat, sondern 0,4 V, dann ist er doch wohl hinüber? Habe jetzt große Massefläche unten und oben. Nicht besser geworden.
>Wenn er das dann nicht hat, sondern 0,4 V, dann ist er doch wohl hinüber? Nicht unbedingt. Das kann auch das Resultat einer Übersteuerung oder einer ungewollten Schwingung sein, oder das Ergebniss eines ungeschickten Meßvorgangs. Ich verstehe sowieso nicht, warum du immer an diesem "-" Eingang herummessen willst. Solange der Ausgang des OPamp nicht übersteuert ist, stellt sich der "-" Eingang ganz automatisch auf virtuelle Masse ein. Jetzt dunkel die Fotodiode mal ab, erhöhe ganz vorsichtig die Lichtintensität und beobachte am Ausgang des zugehörigen OPamps, was sich da tut. Hast du das hier Beitrag "Re: OPA627 und TL071, und irgendwo ist der Wurm drin" umgesetzt?
Ja, hab ich umgesetzt, zumindest die Rs versetzt. Spannungsteiler ist noch nicht drin.
Noch ein Tipp: Laß mal alles bis auf einen Transimpedanzverstärkerzug unbestückt. Divide and conquer...
Ich habe am Wochenende in einer freien Minute mal überlegt, wie ich die Schaltung machen würde: Ich würde Doppel-OPamp (z.B. TLC277) nehmen, die Betriebsspannungsentkopplung mit RC-Gliedern verbessern und Tiefpässe in die Signalwege einfügen. R2, R3 und C2 bilden einen Tiefpaß mit rund 2Hz Grenzfrequenz. Für C2 reicht ein hochwertiger keramischer X7R. R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler, damit der nachfolgende OPamp nicht übersteuert wird (-> "phase reversal"). An den Ausgängen der OPamp sind 1k Widerstände und 100n (X7R) Caps. Da du ja nur an DC interessiert bist, ist das nicht weiter tragisch. Auf der anderen Seite bilden die beiden Baueile einen recht wirksamen Schutz gegen ESD. Deswegen sollte der 100n Cap direkt am Stecker angeordnet werden. Da bei schnellen Änderungen der 100n Cap den Ausgang kurzschließt und der OPamp eine 1k Last sieht, ist die Entkopplungskapazität mit Elkos auf 100µF/10V vergrößert worden. Ich habe hier stehende Ausführungen genommen und sie auf die Platine hingelegt. Viel mehr gibt es eigentlich nicht zu sagen. Ich habe mal 0805 Bauteile angenommen. Man erkennt, wieviel Platz sich mit einem Doppel-OPamp sparen läßt. Alle Bauteile liegen auf einer Platinenseite. Lediglich die Fotodioden sind absichtlich auf die Rückseite gelegt worden. Dadurch wirkt die fast durchgehende Massefläche wie eine Abschirmung. In der durchgehenden Massefläche sind nur Signale verlegt worden, die unkritisch sind und nicht unbedingt abgeschirmt werden müssen. Dadurch bleibt der Abschirmcharakter der Massefläche erhalten. Um Zeit zu sparen, habe ich nur einen Signalweg geroutet und das Layout zwei mal kopiert. Die braunen Pünktchen sind übrigends Vias. An den Stecker wird am besten ein Flachbandkabel angeschlossen. Beachte, daß immer zwischen zwei Leitungen eine Masse übertragen wird. Auf diese Weise können Hin- und Rückleiter keine nennenswerten Schleifenflächen aufspannen. Die Ausgänge können eigentlich direkt auf die ADC Eingänge eines ATMEGA geschaltet werden. Dazu die ADC Eingänge am besten noch mal mit einem Tiefpaß aus 4k7 und 100n (X7R) schützen. Die +/-5V Spannungsversorgung muß natürlich sauber geregelt sein. Denke daran, daß die hochohmigen Widerstände bei den TIAs extrem empfindlich auf kapaztive Einstreuungen reagieren. Die Bauteilseite schirmt man deswegen am besten mit ein wenig Metallfolie (Pertinaxstück, etc.) ab, die man gut mit Masse verbindet.
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